DE10256556B4 - Verfahren zum Ermitteln von auf ein fahrendes Fahrzeug wirkenden Kräften und Drehmomenten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln von auf ein fahrendes Fahrzeug wirkenden Kräften und Drehmomenten, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale von Beschleunigungssensoren ausgewertet werden, die an einem oder mehreren ausgewählten fahrzeugfesten Punkten des Fahrzeugs angebracht sind und dass weitere Signale ausgewertet werden, die die räumliche Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs sowie deren Zeitableitung oder zumindest Rollwinkelgeschwindigkeit und/oder Rollwinkelbeschleunigung repräsentieren und dass ein mathematisches Modell des Fahrzeugs vorhanden ist, in welchem aus den Sensorsignalen auf das Fahrzeug wirkende Kräfte und Drehmomente oder zumindest die Summe der Aufstandskräfte der linken Fahrzeugseite und die Summe der Aufstandskräfte der rechten Fahrzeugseite und/oder die Summe der im Kontakt mit der Fahrbahn übertragenen Querkräfte ermittelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von auf ein fahrendes Fahrzeug wirkenden Kräften und Drehmomenten.
  • Dazu wird der Fahrzeugaufbau als starrer Körper modelliert. Dessen Bewegung im Raum wird mit Hilfe von Beschleunigungs- und Drehratensensoren erfasst. Die Massengeometrie des Fahrzeugs wird als ausreichend bekannt vorausgesetzt und kann mit Hilfe von Identifikationsverfahren genauer ermittelt werden. Damit können auf Basis der Sensorsignale die Gesamtkraft F → und das Gesamtdrehmoment T →A bezüglich eines fahrzeugfesten Aufpunkts A, die die erfasste Bewegung verursachen, rekonstruiert werden (Gleichungen 3 und 4). Bezogen auf ein im Punkt A angebrachtes fahrzeugfestes Koordinatensystem nach DIN 70000 werden F → und T →A in die Komponenten Längskraft Fx, Querkraft Fy, Vertikalkraft Fz, Wankdrehmoment TAx, Nickdrehmoment TAy und Gierdrehmoment TAz zerlegt. Die auf ein Fahrzeug wirkende Gesamtkraft und das Gesamtdrehmoment werden im normalen Fahrbetrieb (ohne Anhänger oder Ähnliches) von den Radkräften d. h. den im Kontakt von Reifen und Fahrbahn übertragenen Kontaktkräften und von aerodynamischen Kräften und Drehmomenten verursacht. Die Angriffspunkte der Radkräfte sind näherungsweise (bis auf Einfederungsbewegungen, die entweder vernachlässigt, geschätzt oder gemessen werden können) bekannt, die im einzelnen Reifenlatsch übertragenen Drehmomente um die Hochachse können im Fahrbetrieb vernachlässigt werden. Dies ergibt 9 Kontaktkraftkomponenten {Fvlx, Fvly, Fvlz, Fvrx, Fvry, Fvrz, Fhlx, Fhly, Fhlz, Fhrx, Fhry, Fhrz}. Die aerodynamischen Kraftwirkungen können durch eine aerodynamische Längskraft Fax und ein aerodynamisches Nickmoment Tay modelliert werden. Bei einer Berücksichtigung von aerodynamischen Fahrzeugunsymmetrien und/oder Seitenwind und/oder einer Anhängerlast kommen weitere Größen hinzu. Diese 11 (oder mehr) Größen stehen mit den 6 Gesamtkraft- und Drehmomentgrößen in einer mathematischen Relation. Ohne Zusatzinformationen sind die entsprechenden Gleichungen daher nicht nach den einzelnen Kontaktkraftkomponenten und aerodynamischen Kraft/Drehmomentgrößen auflösbar. Als Zusatzinformationen kommen beispielsweise die Rad-Einfederwege in Frage.
  • Die ermittelten Kraft- beziehungsweise Drehmomentgrößen finden in Fahrdynamikregelsystemen Verwendung. Solche Systeme haben die Aufgabe, die Bewegung eines Fahrzeugs im Sinne einer besseren Beherrschbarkeit durch den Fahrer positiv zu beeinflussen. Die Bewältigung dieser Aufgabe wird durch die Kenntnis der Kontaktkräfte entscheidend vereinfacht.
  • Aus der US 6 327 526 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Überrollwiderstands und der elastischen Nachgiebigkeit eines Fahrzeugs bekannt. Hierbei wird das Fahrzeug auf einer Testplattform mit einer Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren befestigt.
  • Die DE 199 07 633 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Fahrzeugs, insbesondere zur Vermeidung des Umkippens um eine Längsachse des Fahrzeugs. Hierzu wird eine die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende Größe ermittelt und mit einem Schwellenwert verglichen. Falls dieser überschritten wird, so wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs wenigstens durch Bremseneingriffe an wenigstens einem Rad und/oder Motoreingriffe und/oder Retardereingriffe auf einen vorgebbaren Geschwindigkeitswert reduziert.
  • Ferner ist aus der DE 602 26 030 T2 eine Reifenkrafterfassungsvorrichtung bekannt, bei der an jedem von mehreren Fahrzeugrädern zumindest eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der auf einen Reifen wirkenden Kraft vorgesehen ist. Wenn die auf einen Reifen wirkende Vertikalkraft nicht mit einem durch Bewegung des Fahrzeugs erzeugten Lastbewegungs-Erzeugungszustand übereinstimmt, wird eine abnormale Erfassung der auf einen Reifen wirkenden Kraft bzw. ein abnormaler Nullpunkt der Erfassungsvorrichtung erkannt.
  • In einigen fahrdynamischen Fragestellungen ist die Kenntnis der Gesamtheit der aufgeführten Kraft- und Drehmomentenkomponenten jedoch gar nicht erforderlich. Je nach Fragestellung genügen ausgewählte Summen von Kraftkomponenten. Beispielsweise haben die beiden Querkräfte der Räder einer Achse die gleiche Wirkungslinie. Daher treten sie in den Bewegungsgleichungen des Gesamtfahrzeugs nur in Summe auf. Gleiches gilt bei vorn und hinten identischer Spurweite für die Längskräfte jeder Fahrzeugseite. Entsprechend reduziert sich die Anzahl der zu betrachtenden Variablen. Außerdem müssen nicht für jede fahrdynamische Fragestellung die vollständigen dreidimensionalen Bewegungsgleichungen betrachtet werden. So kann beispielsweise in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beziehungsweise Weiterbildung der Erfindung die Frage nach einer Kippgefährdung des betrachteten Fahrzeugs ohne die Notwendigkeit von Zusatzinformationen beantwortet werden. Dazu reicht es aus, die jeweiligen Summen der Aufstandskräfte Flz = Fvlz + Fhlz und Frz = Fvrz + Fhrz einer Fahrzeugseite zu ermitteln. Eine Gefahr des Umkippens des Fahrzeugs zur Seite besteht genau dann, wenn die Summe der Aufstandskräfte auf einer Fahrzeugseite gegen Null geht. Die Kippgefährdung um die Längsachse des Fahrzeugs kann somit durch eine Bestimmung der jeweiligen Summen der rechten und linken Aufstandskräfte direkt ermittelt werden. Bisher wurde vorgeschlagen, die vier Aufstandskräfte direkt zu messen. Kraftsensoren sind jedoch technisch aufwändig ( DE 196 23 595 A1 = P 8708 CT) und teuer, daher als Kraftfahrzeug-Serienausstattung für kleinere Fahrzeuge im Markt nur schwer durchsetzbar. Eine weitere bekannte Lösung besteht in der Schätzung der Aufstandskräfte aus den Rad-Einfederwegen. Diese ist jedoch nur für stationäre Einfederungen möglich, weil im Gegensatz zu der von der gut modellierbaren Feder ausgeübten Kraft die vom Fahrwerksdämpfer bei dynamischen Ein- und Ausfederungsvorgängen ausgeübte Kraft im Hinblick auf Änderungen der Dämpferparameter mit der Temperatur, Alterung, Querkrafteinflüssen etc. nicht hinreichend genau aus den Einfederungssignalen berechenbar ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Radkräfte oder zumindest ausgewählte Summen von Komponenten dieser Radkräfte, wie zum Beispiel die jeweiligen Summen der Aufstandskräfte der beiden Fahrzeugseiten, mit kostengünstigen, seriengeeigneten Sensoren indirekt zu ermitteln.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßes Verfahren so durchgeführt wird, dass Messsignale von Beschleunigungssensoren ausgewertet werden, die an einem oder mehreren ausgewählten fahrzeugfesten Punkten des Fahrzeugs, vorzugsweise in Längs- Quer- und vertikaler Ausrichtung angebracht sind und dass weitere Signale ausgewertet werden, die die räumliche Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs sowie deren Zeitableitung, insbesondere die Roll-, Nick- und/oder Gierwinkelgeschwindigkeit sowie Roll-, Nick- und/oder Gierwinkelbeschleunigung, oder zumindest einige dieser Größen repräsentieren und dass ein mathematisches Modell des Fahrzeugs vorhanden ist, in welchem aus den Sensorsignalen auf das Fahrzeug wirkende Kräfte und Drehmomente oder zumindest ausgewählte Komponenten dieser Kräfte und Drehmomente ermittelt werden. Hierzu wird vorteilhaft eine Bestimmung zum Beispiel der Kippgefährdung mit herkömmlichen Sensoren möglich. Im diesem Fall, wenn nur ein Teil der Kraftinformation benötigt wird, kann auf einige der Fahrzeugbewegungssensoren verzichtet werden.
  • Vorteilhaft sind weitere Sensoren, die mindestens die Rollwinkelgeschwindigkeit bzw. Rollwinkelbeschleunigung ermitteln, so ausgebildet, dass zumindest eines der weiteren Signale das Messsignal eines fahrzeugfest angebrachten Drehratensensors ist.
  • Ferner ist vorteilhaft, dass zumindest eines der weiteren Signale aus einer modellbasierten Verknüpfung der Messsignale mehrerer Beschleunigungssensoren besteht, die an wenigstens zwei unterschiedlichen fahrzeugfesten Punkten des Fahrzeugs angebracht sind.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass aus den ermittelten, auf das Fahrzeug wirkenden Kräften und Drehmomenten, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme weiterer Informationen über den fahrdynamischen Zustand des Fahrzeugs, Radkräfte oder wenigstens ausgewählte Komponenten der Radkräfte oder wenigstens ausgewählte Summen von Radkraftkomponenten berechnet werden. Dabei werden zur Verringerung der Anzahl der Rechenschritte Radkraftkomponenten beziehungsweise Summen von Radkraftkomponenten direkt aus den Messsignalen berechnet, wobei der vorstehend beschriebene Zusammenhang der Radkraftkomponenten mit den Fahrzeugkräften und Fahrzeugdrehmomenten zugrunde gelegt wird.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass zur Ermittlung einer Kippgefährdung des Fahrzeugs wenigstens ein Querbeschleunigungssignal, ein Vertikalbeschleunigungssignal und ein Rollwinkelgeschwindigkeitssignal in dem mathematischen Fahrzeugmodell verarbeitet werden.
  • Es ist zweckmäßig, dass wenigstens eine Aufstandskräftesumme für die linke und eine weitere Aufstandskräftesumme für die rechte Seite des Fahrzeugs ermittelt wird. Dabei kann das Verfahren so durchgeführt werden, dass die Beschleunigungssensoren uz, uy die Vertikal- und Querbeschleunigung und weitere Sensoren Größen messen, die direkt oder modellbasiert die Rollwinkelgeschwindigkeit und die Rollwinkelbeschleunigung wiedergeben und dass ein Modell vorhanden ist, in welchem aus den Messsignalen die linken und die rechten Aufstandskräftesummen einer Fahrzeugseite ermittelt werden.
  • Das Verfahren ist vorteilhaft zum Erkennen von Überrollvorgängen bei Fahrzeugen mit vier Rädern vorgesehen und verwendet die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Überrollen des Fahrzeugs erkannt oder prognostiziert wird, wenn die Summe der Aufstandskräfte einer Fahrzeugseite zum aktuellen Zeitpunkt oder in einer zeitlichen Extrapolation des ermittelten Kräftesummensignalverlaufs eine Schwelle unterschreiten.
  • Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden am Beispiel der Ermittlung der Kippgefährdung näher erläutert.
  • Bei der Kippgefährdung können Kontaktkräfte zwischen Rad und Fahrbahn oder zumindest ausgewählte Summen von Komponenten dieser Kontaktkräfte, insbesondere die für die Beurteilung der Kippgefährdung relevanten seitenweisen Aufstandskräftesummen, mit kostengünstigen, seriengeeigneten Sensoren indirekt ermittelt werden. Dabei wird die Bewegung des Fahrzeugaufbaus erfasst und anhand vereinfachter Bewegungsgleichungen für das Fahrzeug werden die am Fahrzeug angreifenden Kräfte und Drehmomente ermittelt, die für diese Bewegung verantwortlich sind. Vorteilhaft sind die weiteren Sensoren, die die Größen Rollwinkelgeschwindigkeit bzw. Rollwinkelbeschleunigung ermitteln, als Drehratensensoren ausgebildet. In dem Modell wird erfindungsgemäß aus den gemessenen Beschleunigungen, Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen ermittelt, welche am Fahrzeugaufbau angreifende Kräfte und Drehmomente die erfasste Fahrzeugbewegung verursachen. Aus diesen Größen werden die gesuchten Aufstands kraftkomponenten beziehungsweise deren Summen berechnet. Selbstverständlich kann man den Zwischenschritt der Berechnung von Gesamtkraft und Gesamtdrehmoment aus der Berechnungsprozedur mathematisch eliminieren, um die Berechnungsprozeduren kompakter zu gestalten. Werden wie im vorliegenden Fall lediglich die seitenweisen Summen der Aufstandskräfte benötigt, reicht es aus, von den räumlichen Größen Gesamtkraft F → = Fxe →x + Fye →y + Fze →z (1) und Gesamtdrehmoment T →A = TAxe →x + TAye →y + TAze →z (2) lediglich die Komponenten Fy, Fz und TAx zu ermitteln.
  • Mit Kenntnis der Kräfte und Drehmomente können Überrollvorgänge bei Fahrzeugen mit vier Rädern ermittelt werden, wobei ein Überrollen des Fahrzeugs erkannt oder prognostiziert wird, wenn die ermittelte Aufstandskraftsumme einer Fahrzeugseite eine Schwelle unterschreit oder in naher Zukunft unterschreiten wird.
  • Das Verfahren stellt für alle Fahrdynamik-Regeleingriffe – sei es im Rahmen von ABS, TCS oder ESP und insbesondere Regeleingriffe, die ein Umkippen des Fahrzeugs im Fahrbetrieb verhindern sollen – mit den ermittelten Aufstandskräften und den horizontal in die Fahrbahn eingeleiteten Kräften, wichtige Zustandsinformationen zur Verfügung. Kraftsensoren werden dazu nicht benötigt.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der Kräfteverhältnisse eines Fahrzeugs während einer Kurvenfahrt. Der seitliche Versatz des Schwerpunktes S aus der Fahrzeugmitte ist mit sy bezeichnet, die Höhe des Schwerpunkts über der Fahrbahn mit h.
  • Zur Ermittlung der Aufstandskräftesummen Flz und Frz und der Querkraftsumme Fy wird das Fahrzeug in einem vereinfachten, zweidimensionalen Modell als starrer Körper betrachtet, auf den außer der Schwerkraft nur die Kontaktkräfte zwischen Reifenlatsch und Fahrbahn wirken. Aerodynamische Kräfte und die Bewegung von Fahrzeugteilen relativ zu einem mit dem Fahrzeugaufbau mitbewegten fahrzeugfesten Koordinatensystem {x, y, z}, wie beispielsweise das Rotieren und Einfedern der Fahrzeugräder, können in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden. Ein starrer Körper bewegt sich unter dem Einfluss eingeprägter Kräfte und Momente entsprechend allgemein bekannter Gesetzmäßigkeiten – nämlich Schwerpunktsatz und Drallsatz, wobei letzterer in seiner Formulierung speziell für starre Körper auch Eulersche Kreiselgleichung genannt wird. Wenn man den Bewegungszustand des starren Körpers ermittelt hat, kann man unter Verwendung dieser Bewegungsgleichungen Rückschlüsse auf die angreifenden Kräfte und Momente ziehen. Es werden die gesuchten rechten und linken Aufstandskraftsummen Flz, Frz aus dem Fahrzeugbewegungszustand berechnet.
  • Bei einer vereinfachten, auf die zur Fahrzeuglängsrichtung normale Ebene reduzierten Modellierung des Fahrzeugs zeigt sich, dass an Messsignalen Vertikalbeschleunigung uz und Querbeschleunigung uy, sowie Rollwinkelgeschwindigkeit φ · und Rollwinkelbeschleunigung φ ·· ausreichen, um die gesuchten linken und rechten Aufstandskräfte zu ermitteln. Zusätzlich erhält man noch die Summe Fy der von der Fahrbahn auf die Reifen ausgeübten Querkräfte. Gemessen wird der Bewegungszustand im fahrzeugfesten System. Die Sensoren sind dazu im Fahrzeug fest zu montieren – also nicht etwa mittels einer kreiselstabilisierten Plattform in einer zeitlich konstanten räumlichen Ausrichtung zu halten. Anstelle der genannten Sensorsignale kann natürlich jede andere Sensorkonfiguration gewählt werden, aus deren Signalen die oben genannten Signale berechenbar sind – insbesondere können Messort und Ausrichtung der Sensoren relativ frei gewählt werden, sie müssen nur fahrzeugfest sein und Bewegungen in allen zur Berechnung benötigten Raumrichtungen erfassen. Auch können anstelle der Winkelgeschwindigkeitssensoren beispielsweise weitere Beschleunigungssensoren verwendet werden. In diesem Fall müssen die Sensoren jedoch auf mindestens zwei in ihrer Projektion auf die Modellierungsebene möglicht weit auseinanderliegende fahrzeugfeste Messorte verteilt werden.
  • In die Berechnung der Kräfte zur Beurteilung der Kippgefährdung aus den Sensorsignalen geht zum einen die Geometrie der Sensoranordnung ein, die durch die Lage der Sensoren im Fahrzeug festgelegt wird und zum anderen Radstand und Spurweite b, die ebenfalls als bekannt vorausgesetzt werden können und schließlich die Masseparameter des Fahrzeugs bestehend aus Gesamtmasse M, Lage des Schwerpunkts S und Massenträgheitstensor Θ ↔A . Die Masseparameter können sich im Vergleich zu den Variablen des betrachteten Systems wie Sensordaten und Kräfte abgesehen von sprunghaften Änderungen – beispielsweise durch ein Verrutschen von Ladung – nur langsam ändern. Daher sind sie zwar nicht vorab bekannt, aber einer Identifikation zugänglich, für die neben den sowieso verfügbaren Beschleunigungsdaten auch Kräfte benötigt werden. Zu dieser Identifikation genügen aber – im Gegensatz zur eingangs angesprochenen direkten Ermittlung der momentanen Kippgefährdung anhand hochdynamischer Kraft-Messsignale – geschätzte Kraftwerte, die während quasistationärer Bewegungsphasen des Fahrzeugs aus den Einfederwegen ermittelt werden können.
  • Auf die Masse als Parameter kann verzichtet werden, wenn man die Kräfte beispielsweise auf die Gewichtskraft des Fahrzeugs normiert. Die Fahrzeugmasse M kürzt sich dadurch aus den Gleichungen heraus und die Massengeometrie geht nur noch in Form von Schwerpunktlage, den Trägheitsradien und der Lage des Trägheitsellipsoids im fahrzeugfesten Koordinatensystem ein.
  • Selbstverständlich kann mit der hier beschriebenen Methode nicht jede einzelne am Körper angreifende Kraft berechnet werden, da Kräfte, die entlang ein- und derselben Wirkungslinie angreifen in den Bewegungsgleichungen nur in Summe auftreten und folglich auch nur deren Summe ermittelt werden kann. So kann beispielsweise aus einer für die Vorderräder ermittelten Summe der Querkräfte anhand des Fahrzeug-Bewegungszustands nicht auf die einzelnen Querkräfte an linkem und rechtem Vorderrad geschlossen werden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht bei der im Folgenden beschriebenen zweidimensionalen Modellierung des Fahrzeugs die hochdynamische Ermittlung der linken und rechten Aufstandskraftsummen sowie der Summe der Querkräfte auf das Fahrzeug. Dies erlaubt auch die zeitliche Extrapolation der ermittelten Kraftsignale und die Vorausberechnung des Zeitpunkts, bei dem eine Fahrzeugseite abhebt. Die Kenntnis der Bewegungsgleichungen und des Bewegungszustands des Fahrzeugmodells ermöglicht darüber hinaus optimale Regeleingriffe zur Kippvermeidung in Form von Brems- und Lenkeingriffen.
  • Bei vollständiger dreidimensionaler Modellierung des Fahrzeugs können weitere Beschleunigungssignale sowie ein Nick- und ein Gierwinkelgeschwindigkeitssignal verwendet werden.
  • 1 zeigt das vereinfachte zweidimensionale Modell des Fahrzeugs zur Ermittlung der Aufstandskräfte und der Querkraft in der y-z-Ebene. Zur Herleitung der erfindungsgemäßen Berechnungsvorschrift kann man wie folgt vorgehen: 3D-Impulssatz:
    Figure 00130001
    3D-Drallsatz (verallgemeinerte Eulersche Kreiselgleichung)
    Figure 00130002
    Kinematik starrer Körper
    Figure 00130003
    Reduktion auf zwei Dimensionen (2D):
    Figure 00130004
    Figure 00140001
  • Einsetzen von 8, 9, 10 in 3, 4 ergibt: Mäz + M(φ ··sy – φ ·2sz) = Flz + Frz + Mgz (11) Mäy + M(–φ ··sz – φ ·2sy) = Fy + Mgy (12) ϑφ ·· + M(syäz – szäy) = b(Flz – Frz) + M(sygz – szgy) (13)
  • Beschleunigungssensoren messen nicht a →, sondern a →–g →. Daher Umformung von 11, 12, und 13 zu M(äz – gz) + M(φ ··sy – φ ·2sz) = Flz + Frz (14) M(äy – gy) + M(–φ ··sz – φ ·2sy) = Fy (15) ϑφ ·· + M(äz – gz)sy – M(äy – gy)sz = b(Flz – Frz) (16)
  • Eine in der Fahrzeugmitte in der Höhe h (das heißt im Schwerpunkt S) angebrachte und in den Koordinatenrichtungen y und z ausgerichtete Beschleunigungssensorkombination stellt die folgenden Sensorsignale zur Verfügung: uy = äy – gy – hφ ·· (17) uz = äz – gz – hφ ·2 (18)
  • Zu bemerken ist an dieser Stelle, dass die Beschleunigungssensoren nicht notwendigerweise in der Fahrzeugmitte und erst recht nicht im Fahrzeugschwerpunkt angebracht werden müssen. Die hier getroffene Annnahme eines Messorts (Aufpunkt A) in der Fahrzeugmitte führt jedoch zu besonders einfachen Formeln. Dem Fachmann ist bekannt, wie die Sensorsignale von anderen Einbauorten und auch von den Koordinatenachsen abweichenden Orientierungen auf die hier verwendeten Signale umzurechnen sind.
  • Einsetzen von 17, 18 in 14, 15, 16 ergibt M(uz + hφ ·2) + M(φ ··sy – φ ·2sz) = Flz + Frz (19) M(uy + hφ ··) + M(–φ ··sz – φ ·2sy) = Fy (20) ϑφ ·· + M(uz + hφ ·2)sy – M(uy + hφ ··)sz = b(Flz – Frz) (21)
  • Auflösen dieses linearen Gleichungssystems nach den Kontaktkräften ergibt
    Figure 00150001
  • Zusammenfassung:
  • Die Aufstandskräfte Flz , und Frz, sowie die Summe der im Kontakt mit der Fahrbahn übertragenen Querkräfte Fy lassen sich aus den Beschleunigungssensorsignalen uZ, uy und dem Rollwinkelgeschwindigkeitssignal φ · bestimmen, wobei auch die Rollwinkelbeschleunigung φ ·· verwendet wird. Alternativ können anstelle der direkt erfassten Rollwinkelgeschwindigkeit andere Sensorsignale verwenden, aus denen die benötigte Winkelgeschwindigkeitsinformation beispielsweise modellbasiert bestimmbar ist.
  • Die Gleichungen 22, 23 und 24 können zu dem linearen Gleichungssystem
    Figure 00160001
    zusammengefasst werden, wobei die zeitlich konstante Messmatrix Ki,j von der Sensorposition, den Schwerpunktkoordinaten, der Fahrzeugmasse und dem Massenträgheitsmoment abhängt. Diese Matrix vermittelt den Zusammenhang zwischen den gesuchten Kraftgrößen Flz, Frz und Fy und den direkt oder indirekt messbaren Bewegungsgrößen φ ··, φ ·2 , uy und uz.
  • Formelzeichen:
    • e →x, e →y, e →z
      fahrzeugfeste, mithin zeitlich veränderliche Einheitsvektoren in x, y und z-Richtung
      A
      Aufpunkt (Fahrzeugmitte)
      S
      Schwerpunkt des Fahrzeugs
      a →
      Ortsvektor Koordinatenursprung–Aufpunkt
      s →
      Lagevektor Aufpunkt–Schwerpunkt
      g →
      Erdbeschleunigung
      F →
      Summe der am Fahrzeug angreifenden Kräfte
      Fx, Fy, Fz
      x-, y, und z-Komponente von F →
      T →A
      Summe der am Fahrzeug angreifenden Drehmomente bezüglich des Aufpunkts A
      TAx, TAy, TAz
      x-, y, und z-Komponente von T →A
      Fvlx
      x-Komponente der Radkraft vorn links
      Fvly
      y-Komponente der Radkraft vorn links
      Fvlz
      z-Komponente der Radkraft vorn links
      Fvrx
      x-Komponente der Radkraft vorn rechts
      Fvry
      y-Komponente der Radkraft vorn rechts
      Fvrz
      z-Komponente der Radkraft vorn rechts
      Fhlx
      x-Komponente der Radkraft hinten links
      Fhly
      y-Komponente der Radkraft hinten links
      Fhlz
      z-Komponente der Radkraft hinten links
      Fhrx
      x-Komponente der Radkraft hinten rechts
      Fhry
      y-Komponente der Radkraft hinten rechts
      Fhrz
      z-Komponente der Radkraft hinten rechts
      Fax
      Aerodynamische Längskraft
      Tay
      Aerodynamisches Nickmoment
      M
      Masse des Fahrzeugs
      Θ ↔A
      Massenträgheitsmomententensor des Fahrzeugs bezüglich des Aufpunkts A
      ω →
      Winkelgeschwindigkeitsvektor des Fahrzeugs
      φ
      Rollwinkel
      φ ·
      Rollwinkelgeschwindigkeit
      φ ··
      Rollwinkelbeschleunigung
      x
      Kreuzprodukt
      •
      Punktprodukt
      Flz = Flvz + Flhz
      Aufstandskraftsumme links
      Frz = Frvz + Frhz
      Aufstandskraftsumme rechts
      Fy = Flvy + Flhy + Frvy + Frhy
      Querkraftsumme
      ϑ
      Massenträgheitsmoment für des Fahrzeugs bei Rollbewegung bezüglich des Aufpunkts A
      sy
      x-Komponente der Schwerpunktlage relativ zum Aufpunkt A
      sz
      z-Komponente der Schwerpunktlage relativ zum Aufpunkt A
      gy
      x-Komponente der Erdbeschleunigung
      gz
      z-Komponente der Erdbeschleunigung
      b
      halbe Spurweite des Fahrzeugs
      uy
      Sensorsignal Querbeschleunigungssensor
      uz
      Sensorsignal Vertikalbeschleunigungssensor

Claims (8)

  1. Verfahren zum Ermitteln von auf ein fahrendes Fahrzeug wirkenden Kräften und Drehmomenten, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale von Beschleunigungssensoren ausgewertet werden, die an einem oder mehreren ausgewählten fahrzeugfesten Punkten des Fahrzeugs angebracht sind und dass weitere Signale ausgewertet werden, die die räumliche Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs sowie deren Zeitableitung oder zumindest Rollwinkelgeschwindigkeit und/oder Rollwinkelbeschleunigung repräsentieren und dass ein mathematisches Modell des Fahrzeugs vorhanden ist, in welchem aus den Sensorsignalen auf das Fahrzeug wirkende Kräfte und Drehmomente oder zumindest die Summe der Aufstandskräfte der linken Fahrzeugseite und die Summe der Aufstandskräfte der rechten Fahrzeugseite und/oder die Summe der im Kontakt mit der Fahrbahn übertragenen Querkräfte ermittelt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der weiteren Signale das Messsignal eines fahrzeugfest angebrachten Drehratensensors ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der weiteren Signale aus einer modellbasierten Verknüpfung der Messsignale mehrerer Beschleunigungssensoren besteht, die an wenigstens zwei unterschiedlichen fahrzeugfesten Punkten des Fahrzeugs angebracht sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten, auf das Fahrzeug wirkenden Kräften und Drehmomenten Radkräfte oder Komponenten der Radkräfte oder Summen von Radkraftkomponenten berechnet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, sowie Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Anzahl der Rechenschritte Radkraftkomponenten beziehungsweise Summen von Radkraftkomponenten direkt aus den Messsignalen berechnet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer Kippgefährdung des Fahrzeugs wenigstens ein Querbeschleunigungssignal, ein Vertikalbeschleunigungssignal und ein Rollwinkelgeschwindigkeitssignal in dem mathematischen Fahrzeugmodell verarbeitet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Summe der Aufstandskräfte für die linke Seite des Fahrzeugs und eine Summe der Aufstandskräfte für die rechte Seite des Fahrzeugs ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zum Erkennen von Überrollvorgängen bei Fahrzeugen mit vier Rädern verwendet wird, wobei ein Überrollen des Fahrzeugs erkannt oder prognostiziert wird, wenn die Summe der Aufstandskräfte einer Fahrzeugseite zum aktuellen Zeitpunkt oder in einer zeitlichen Extrapolation des ermittelten Kräftesummensignalverlaufs eine Schwelle unterschreitet.
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